水泥混凝土路面设计计算书

1课程设计题目 ........................................................................ 2 2课程设计主要内容 ................................................................. 2 3路面厚度计算 ........................................................................ 2 3.1 交通分析 .................................................................... 2 3.2初拟路面结构 ................................................................ 4 3.3路面材料参数确定 ......................................................... 6 3.4 荷载疲劳应力 ............................................................. 10 3.5温度疲劳应力 .............................................................. 11 3.6验算初拟路面结构 ....................................................... 12 4接缝设计 ............................................................................. 13 4.1纵向接缝 ..................................................................... 13 4.2横向接缝 ..................................................................... 14 5混凝土面板钢筋设计 ........................................................... 15 5.1 边缘补强钢筋 ............................................................. 15 5.2 角隅钢筋 .................................................................... 15 6材料用量计算 ...................................................................... 15 6.1 面层 ........................................................................... 15 6.2 基层 ........................................................................... 16 6.3 垫层 ........................................................................... 17 7 施工的方案及工艺 .............................................................. 15

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泥混凝土路面设计计算书

1课程设计题目

水泥混凝土路面设计：此为城市主干道三级公路，路基为粘质土，采用普通混凝土路面，路面宽24m，经交通调查得知，设计车道使用初期轴载日作用次数为500。试设计该路面结构。 2课程设计主要内容

（1）结构组合设计； （2）材料组成设计； （3）混凝土板厚的确定； （4）板的平面尺寸确定； （5）接缝设计； （6）配筋设计； （7）材料用量计算； 4路面厚度计算 4.1交通分析

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ012一94)，不同等级公路的路面结构设计安全等级及相应的设计基准期、可靠度指标和目标可靠度查规范可知：

三级公路的设计基准期为30年，安全等级为四级。

混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分部系数

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表4-2

公 路 等 级 高速公路、一级公路、二级公路 二级及二级以下公路 行车道宽＞7m 行车道宽≤7m 纵 缝 边 缘 处 0.17~0.22 0.34~0.39 0.54~0.62 由表4-2知，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.35 已知交通量设计年限内年增长率：8%。 荷载累计作用次数为：

Ns[(1gr)t1]500[(10.08)301]Ne3653650.35723.59710^（次）4gr0.08交通量相轴载大小是路面设计的基本依据。随着交通量增大，对路面使用性能和使用寿命的要求相应提高。由此，在使用年限内对混凝土强度、面板厚度、基层类型和模量等方面提出了不同的技术要求。为了区分各项要求在程度上的差别，按使用初期设计车道每日通过的标准铀载作用次数，将水泥混凝土路面承受的交通划分为特重、重、中等和轻四个等级，标准如下：

公路混凝土路面交通分级 表4-4 交通等级 设计车道标准轴载累计作用次数Ne(104) 特重 重 中等 轻 ＞2000 100~2000 3~100 ＜3 3

由表4-4可得该公路属于重交通等级。 4.2初拟路面结构

由上表4-1知，安全等级为四级的道路对应的变异水平等级为低级。

水泥混凝土面层厚度的参考范围

表4-5 交通等级 公路等级 变异水平等级 面层厚度（mm）

交通等级 公路等级 变异水平等级 面层厚度（mm） 二级 中等 三、四级 中 高 三、四级 轻 三、四级 高速 特重 一级 二级 中 高速 重 一级 二级 中 低 中 低 低 270~240 中 260~230 低 ≥260 ≥250 ≥240 250~220 高 中 高 中 240~210 230~200 220~200 ≤230 ≤220 4

根据三级公路、重交通等级和低级变异水平等级，由表4-5知，初拟普通混凝土面层厚度为220mm。

各类基层适宜交通等级与适宜厚度的范围

表4-6

基层类型 贫混凝土或碾压混凝土基层 水泥稳定粒料基层 沥青混凝土基层 沥青稳定碎石基层 石灰粉煤灰稳定粒料、级配粒料基层 多孔隙水泥稳定碎石排水基层 沥青稳定碎石排水基层 80~100 100~140 150~250 40~60 80~100 150~200 厚度适宜的范围（mm） 120~200 适宜交通等级 特重交通 重交通 特重交通 重交通 中等或轻交通 高速、一级、重交 高速、一级、重交 如上表4-6，基层可选用水泥稳定粒料类，厚180mm，垫层选用低剂量无机结合料稳定土，厚150mm。普通混凝土板的平面尺寸宽4.5m、长5.0m；纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

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4.3路面材料参数确定

混凝土面板在行车荷载和温度变化等因素的作用下，将产生压应力和弯拉应力。混凝土面板所受的压应力与混凝土的抗压强度相比很小，而所受的弯拉应力与抗弯拉强度相比则大得多，可能导致混凝土面板开裂破坏。因此，在设计混凝土面板厚度时，应以弯拉强度为其设计标准。

混凝土的强度随龄期而增长，通常以28日龄期的强度为标准。各级交通要求的混凝土设计弯拉强度不得低于表4-7的规定。当90日内不开放交通时，则可采用90日龄期的强度(为28日强度的1.1倍)。

混凝土的强度对路面的使用寿命有重大影响，强度的变化同路面容许的标准铀载作用次数的对数成正比。增加混凝土的强度，可以大大延长路面的使用寿命，取得十分显著的经济效益。因而，应尽可能提高混凝土的强度。结合我国的材料情况和施工工艺水平，《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ012—94)规定了设计强度的最低值。条件许可时，应尽量采用高值，尤其是对于特重交通的公路。

混凝土弯拉强度标准值fr 表4-7

交通等级 水泥混凝土的弯拉强度标准值

特重 5.0 重 5.0 中等 4.5 轻 4.0 6

（MPa） 钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa） 混凝土弯拉弹性模量的测试工作，很费时而又不易准确，且其数值的变化对荷载应力计算结果的影响不大。因而，在无条件测试时，直接采用表4-7所列数值，fr=5.0MPa。

水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值 表

4-8

弯拉强度（MPa） 抗压强度（MPa） 弯拉弹性模量（GPa）

弯拉强度（MPa） 抗压强度（MPa） 弯拉弹性模量（GPa） 按表4-8取普通混凝土面层的弯拉弹性模量标准值为

Ec31GPa。

6.0 6.0 5.5 5.0 1.0 5.0 10 1.5 7.7 15 2.0 11.0 18 2.5 14.9 21 3.0 19.3 23 3.5 24.2 25 4.0 19.7 27 4.5 35.8 29 5.0 41.8 31 5.5 48.4 33

中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围

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表4-9

土组 Ⅱ 土质砂 黏质土 粉质土

26~42 25~45 22~46 Ⅲ 40~50 30~40 32~54 公路自然区划 Ⅳ 39~50 25~45 30~50 Ⅴ 35~60 30~45 27~43 Ⅵ 50~60 30~45 30~45 垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围

表4-10

材料类型 回弹模量（MPa） 80~100 150~200 180~220 200~250 材料类型 石灰粉煤灰稳定粒料 水泥稳定粒料 沥青碎石（粗粒式，20C） 回弹模量（MPa） 1300~1700 1300~1700 600~800 中、粗砂 天然砂砾 未筛分碎石 极配碎砾石 （垫层） 极配碎砾石 （基层） 石灰土 沥青混凝土 （粗粒式，20C） 800~1200 250~350 沥青混凝土 （中粒式，20C） 1000~1400 200~700 多孔隙水泥碎石 （水泥剂量1300~1700 8

9.5%~11%） 多孔隙沥青碎石石灰粉煤灰土 600~900 （20C， 沥青含量2.5%~3.5%） 按表4-9，路基土回弹模量取E030MPa。按表

600~800 4-10，低剂

量无机结合料稳定土垫层回弹模量取E2基层回弹模量取E21300MPa。

600MPa，水泥稳定粒料

则有：基层顶面当量回弹模量计算如下：

2h12E1h2E213000.1826000.152Ex1013MPa 2222h1h20.180.151EhEh(h1h2)11DxEhEh1242211311322213000.1836000.153(0.180.15)21112413000.186000.152.57(MNm)1

hx312Dx3122.570.312(m) EX1013Exa6.2211.51E0Exb11.44E0ExbEtahxE0E00.550.450.4513006.2211.514.293

300.55101311.44300.792

131310134.2930.3120.8163030165MPa

普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算为

r0.537h3EcEt0.5370.223310001650.677m

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4.4 荷载疲劳应力

标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为： ps0.077r0.6h20.0770.6770.60.2221.259MPa

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数为

Kr0.87~0.92,故取Kr0.87。考虑设计基准期内荷载应力疲劳作

用的疲劳应力系数KfNev(9.885106)0.0572.504。

由于超过额定载重和载重在各侧车轮上分配的不均匀性，在行驶过程中因路表不平整和车辆自振所引起的变动，以及路面结构厚度和材料性质的变异等因素对路面疲劳损坏的影响的综合系数。其数值是参照国内外资料确定。

综合系数Kc

表4-11

公路等级 Kc 高速公路 1.30 一级公路 1.25 二级公路 1.20 三、四级公路 1.10 根据公路等级和表4-11，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数为Kc则荷载疲劳应力为 prKrKfKcps0.872.5041.201.2593.29MPa

1.20。

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4.5温度疲劳应力

混凝土面板顶面和底面的温度之差除以板的厚度，即为板的温度梯度。在晴天，混凝土面板的温度梯度经历了由零经正最大(板顶高于板底)到零，再经负最大(板顶低于板底)后回到零的周期性变化。

混凝土面板的最大温度梯度计算值Tg，可根据公路所在地的公路自然区划按表4-12选用。

最大温度梯度标准值Tg 表4-12 公路自然区划 最大温度梯度（C/m） 由表4-12，Ⅱ区最大温度梯度为88（C/m），板长为5m，

lr50.6777.39。

Ⅱ、Ⅴ 83~88 Ⅲ 90~95 Ⅳ、Ⅵ 86~92 Ⅶ 93~98 则当混凝土板厚度为h0.22m时，查下图5-1可得Bx0.71。

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图5-1 温度应力系数

则有最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为

tmcEchTg21105310000.2288Bx0.712.13MPa

2 回归系数a、b和c 表4-13 系数 a b 公路自然区划 Ⅱ 0.828 0.041 1.323 Ⅲ 0.855 0.041 1.355 Ⅳ 0.841 0.058 1.323 Ⅴ 0.871 0.071 1.287 Ⅵ 0.837 0.038 1.382 Ⅶ 0.834 0.052 1.270 c 温度疲劳应力系数Kt，按下式计算，根据表4-13知，自然区划Ⅱ区中，a0.828，b0.041，c1.323，Kt为

frtmaKttmfrc1.3235.02.130.0410.532 b2.130.8285.0则温度疲劳应力为 trKttm0.5322.131.13MPa

4.6验算初拟路面结构

可靠度系数

表4-14

变异水平等级 低

目标可靠度（%） 95 1.20~1.33 90 1.09~1.16 85 1.04~1.08 80 — 12

中 高 1.33~1.50 — 1.16~1.23 1.23~1.33 1.08~1.13 1.13~1.18 1.04~1.07 1.07~1.11 由表4-1知，三级公路的安全等级为四级，相应于四级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为90%。再据查得的目标可靠度和安全等级，由表4-14知，可靠度系数为r1.13。则，

r(prtr)1.13(3.291.13)4.99MPafr5.0MPa

因而，所选普通混凝土面层厚度（0.22m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。 5接缝设计

为避免混凝土面层因为热胀冷缩而引起的变形计破坏，在纵横两个方向设置许多接缝，且做成垂直正交，把整个路面分割成许多板块。 5.1纵向接缝

原定平面尺寸宽3.75米，长4米，则应在纵向设置施工缝，纵向接缝的布设根据路面宽度和施工铺筑宽度而定。本段路面设计按一个车道施工，故采用拉杆平缝形式。接缝拉杆采用螺纹钢筋，设置在板厚的中央，并对拉杆中部100mm范围内作防锈处理。拉杆的直径、长度和间距查下表选用14800900。接缝布置如下表5-1所示：

拉杆直径、长度和间距(mm) 表5-1

面层厚度（mm)

到自由边或未设拉杆纵缝的距离(m) 3.00 3.50 3.75 4.50 6.00 13

7.5 200~250 260~300 14×700×900 16×800×900 14×700×800 14×700×700 16×800×800 16×800×700 14×700×600 14×700×500 16×800×600 16×800×500 14×700×400 16×800×400 注：拉杆直径、长度和间距的数字为直径×长度×间距。

缝的上部锯切槽口，深度为60mm，宽度为8mm，槽内灌塞填缝料。 5.2横向接缝

每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处。且由于本路属于重交通等级，故施工缝采用加传力杆的平缝形式。横向缩缝采用假缝等间距设置。缝的上部锯切槽口，深度为60mm，宽度为8mm，槽内灌塞填缝料。

传力杆采用光圆钢筋，其尺寸和间距根据表5-2可选用传力杆直径为28mm，长度为400mm，间距为300mm。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为150mm。

传力杆尺寸和间距（mm） 表5-2 面层厚度（mm） 220 240 260 280 300 28 30 32 35 38 传力杆直径 传力杆最小长度 400 400 450 450 500 传力杆最大间距 300 300 300 300 300 14

6混凝土面板钢筋设计

混凝土面板纵横自由边边缘下的基础，当有可能产生较大的塑性变形时，宜在板边缘加设边缘补强钢筋，角隅加设发针形钢筋或钢筋网。 6.1边缘补强钢筋

混凝土面板边缘部分的补强，选用2根16mm的螺纹钢筋，布置在板的下部，距板底约为板厚的1/4即65mm，间距为100mm，钢筋两端应向上弯起，钢筋保护层的厚度为50mm。 6.2角隅钢筋

角隅补强部分的补强，选用2根直径为14mm的螺纹钢，布置在板的上部，距板顶wa，距板边为100mm，钢筋保护层的厚度为

50mm。

7材料用量计算 7.1 面层

面层工程量表主要包括：①面板混凝土数量；②接缝数量表；③接缝钢筋数量④角隅等处的钢筋数量，计算结果见表7.1。取长度1000m为计算标准。

基层工程数量表 表7-1 材料 长度（m） 宽度（m）

普通混凝土面板 1000 20.5 15

厚度（cm） 体积（m3） 混凝土面板数量（m3） 接缝数量表横缝 纵缝 横缝传力杆 纵缝拉杆 4673.14(25 20.510000.255125 100020.543.751367 41000(40.008)998 9982499 （个） 接缝钢筋数量（kg） 9983.750.03220.453.14()785035424 0.324493.14(0.01624)78504048 20.7边缘补强钢筋 水泥用量（kg） 砂和碎石（kg） 钢筋用量（kg） 7.2 基层

0.0162)44785011787.35 2100091000969012 1000107.668237.08131.3610009368440 100018853.022251.3711787.3522891.74 W/C一般为0.3，水泥用量为220kg/m3。粗集料使用连续级配，集料的最大粒径一般为15 mm。细浆料含砂率超过25%。利用粉煤灰掺量为30%。基层工程数量表涵盖了基层的长度，宽度，厚度等一些基本的数据，为概预算设计作铺垫。基层拟采用小型

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机具施工，依据规范知基层的宽度应比混凝土面层每侧至少宽出250mm，取为0.30m，计算结果见表7.2所示。

基层工程数量表 表7-2 材料 长度（m） 宽度（m） 厚度（m） 体积（m3） 水泥用量（kg） 砂和碎石（kg） 粉煤灰（kg） 7.3 垫层

垫层工程量表的内容和基层差不多，垫层拟采用小型机具施工，垫层的宽度比基层每侧宽出250mm，取为0.25m，详细内容见表7.3所示。

垫层工程数量表 表7-3 材料 长度（m） 宽度（m） 厚度（m） 体积（m3）

碾压混凝土基层 1000 10.5+20.30=11.1 0.18 11.110000.181998 1998220439560 4395600.25244200 1-0.25-0.34395600.30/0.45293040 石灰粉煤灰稳定粒料垫层 1000 10.1+20.30+20.30=11.6 0.15 11.610000.151740 17

砂和碎石（kg） 粉煤灰（kg） 石灰（kg）

7.施工的方案及工艺

179463 102243 38341 1、基层的准备及放样：将基层上的杂物及浮土清除干净，并复核基层标高、坡度及平整度，达到施工规范标准。然后恢复中线，每10m一桩，放出边桩，再拉出混凝土路面边桩，测量标高，在桩上标出路面设计标线位置。

2、模板安装：根据路面标高线安装混凝土路面边模，模板安装好，再测量模板顶面标高，根据测量标高再调整模板。调整后，再测量模板顶标高，如不符合要求，再调整，直至满足施工规范要求。

3、检查并调试拌和机及其它机械设备性能，做好施工前的准备工作。

4、确定混凝土施工配合比：测定现场集料的含水量，根据集料含水量调整混凝土设计配合比，确定施工配合比，根据配合比，调整拌和机的设定参数，使之符合混凝土施工规范要求。因混凝土路面的质量很大重度上取决于混凝土的质量，所以，混凝土配合比一定按规范要求严格控制，使新拌混凝土符合设计及规范要求。

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5、拌和料的运输：因运输距离很近，拌和料运输采用5 m3翻斗车运输，考虑到施工季节气温的关系，拌和料在保湿上应注意。

6、混凝土摊铺：摊铺时，用人工配合挖掘机摊铺混凝土拌和料。每次摊铺一个车道宽，在摊铺前，检查模板标高，并使基层顶面保持湿润、清洁，保证混凝土面层与基层的良好结合。粗平后，用振动梁震捣，然后人工拉毛、压缝。根据砂浆厚度、气温情况、初凝时间掌握好拉毛、压缝时间。拉毛要求整齐，不起毛为度，压缝要求整齐，且满足构造缝深度要求。

7、养生：采用湿润法养生，养生时间不少于14天。养生在压缝后紧接着进行，用湿草帘或麻袋等覆盖在混凝土板表面，每天洒水喷湿3-5次，保持湿润。

8、切缝：在养生期间，混凝土震捣8小时左右进行切缝。切缝的原则为：先横缝，后纵缝；先大块，再小块。切缝后，立即把湿草帘或麻袋还原，继续进行养生。

9、模板拆除：模板在浇筑混凝土20h内拆除。拆模时，不应损坏混凝土板和模板。

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